第5章 振幅调制及解调5.ppt

第5章振幅调制及解调 调制就是把调制信号寄载在载波上的过程 解调就是调制的逆过程 振幅调制就是把调制信号寄载在载波振幅上的过程 1 振幅调制后的结果分析 时域与频域 2 非线性特性器件使两相加的输入信号变换为输出端的相乘 3 用非线性特性器件 二 三极管 模拟乘法器的实现 4 解调就是反向频谱搬移 逆过程 关键点 失真 功率与频带利用率 第5章振幅调制及解调 5 1概述5 2振幅调制信号分析5 3振幅调制方法5 4振幅调制电路5 5振幅解调方法5 6振幅解调电路 5 1概述 连续波模拟调制的载波是连续的等幅高频正弦波 用uC表示 uC UCmcos Ct 将调制信号u 寄载在载波上的方法有三种 一种是把调制信号寄载在载波的幅度上 叫做振幅调制 简称调幅 AM 图5 2调频波波形图 5 2振幅调制信号分析 ma为调幅度 5 2 1普通调幅波 AM 假设调制信号是一个单一频率的余弦信号u U mcos t 载波uC Um0cos Ct 载波的角频率wc 普通调幅波的表示式为 uAM Um0 1 macos t cos Ct Um0cos Ct Um0cos Ct macos t K为比例系数 把普通调幅波的表示式展开 上式中包含有三个频率成分 即载波频率 C 载波与调制信号的和频 C 差频 C 图5 6AM调制的频谱关系 普通调幅波中各个频率成分所占有的能量 已调波UAM在单位电阻上消耗的平均功率Pav应当等于各个频率成分所消耗的平均功率之和 即等于载波功率PC和边频功率PSB之和 载波平均功率 上下边带的平均功率 实际上调制信号都是由多频率成分组成的 如语音信号的频率主要集中在300 3400Hz范围 所以广播电台播送这样的语音信号 已调波的带宽等于6800Hz 相邻两个电台载波频率的间隔必须大于6800Hz 通常取为10kHz 多频调制情况下 调制信号的通用表示式为 已调波uAM时域波形 频谱如图5 7所示 由于调制信号占有一定的频带 已调波的带宽BAM 2 max 上 下边带包含的信息是相同的 从信息传送的角度出发 只传送一个边带信息就可以了 图5 7多频调制的AM调幅波 5 2 2双边带调制 DSB 双边带调制是仅传送上 下边带而抑制载波的一种调制方式 双边带信号可以直接通过调制信号与载波信号相乘的方法得到 双边带信号的表示式为 uDSB Ku uC 图5 10DSB调制信号波形图 图5 11DSB调制信号的频谱 5 2 3单边带调制 SSB 单边带调制是仅传送一个边带的调制方法 只传送上边带信号叫上边带调制 uSSB t Um0cos C t只传送下边带信号叫下边带调制 uSSB t Um0cos C t 图5 13单频调制SSB信号波形和频谱 单边带信号的包络不再反映调制信号的变化规律 单边带信号的频率随调制信号频率的不同而不同 也就是说 调制信号频率信息已寄载到已调波的频率之中了 因此可以说单边带调制是振幅和频率都随调制信号改变的调制方式 AM DSB和SSB调制的表达式 调制信号波形 实现调制的框图 滤波法要求滤波器过渡带很陡 当调制信号中的低频分量越丰富时 滤波器的过渡带要求越窄 实现起来就越困难 因此往往要在载频比较低的情况下经过几次滤波取出单边带信号 之后再将载波频率提高到要求的数值 另一种方法叫相移法 这种方法可以直接由单边带信号的表示式得到 如单一频率调制的下边带信号的展开式为 第一项是载波与调制信号相乘项 第二项是调制信号的正交信号与载波的正交信号的乘积项 两项相加得下边带信号 单边带信号的表示式可以写成 图5 15相移法框图 例1 试问下面三电压表达式各为什么调制波 画出频谱图 例2 某发射机输出级在负载RL 100 上的输出信号 试求载波功率 边频功率和总的输出功率 振幅调制在时域需要有相乘运算过程 在频域就是将信号的频谱由低频位置搬移到载频左右的位置 且要求信号频谱形状和结构不变 这一过程是线性频率变换 5 3振幅调制方法 从输入 输出关系来看 频率的搬移也是产生了新的频率分量 所以需要用非线性或线性时变器件来实现 利用非线性器件实现两个信号的相乘运算 三极管转移特性iC f uBE 如图所示 uBE EB ube 晶体管静态工作点为Q 当ube比较小时 将转移特性在静态工作点附近用台劳级数展开 其中 a0 a1 a2 a3 为各阶项的系数 它们均是工作点的函数 当ube u1 u2 载波 u1 U1mcos 1t 调制信号 u2 U2mcos 2t时 各阶项展开就会形成 1和 2的组合频率 n阶项产生的组合频率可以用通式 p q p 1 q 2 p q n p q 0 1 2 3 表示 其中 p q n的各组合频率分量统称为n阶组合频率 例如 一个4阶的幂级数近似表示晶体管的转移特性iC a0 a1ube a2u2be a3u3be a4u4be 4阶幂级数展开频谱图 根据需要可以通过滤波器取出所需要的频率成分 例如 要从iC中取出AM调幅信号 即取出 1和 1 2的频率成分 非矩形的带通滤波器将造成非线性失真 如何减少失真呢 第一 选用特性为平方律的器件 如场效应管 结型场效应管的转移特性 当uGS EG uC u 时 要点回顾 AM DSB和SSB调制的表达式 调制信号波形 实现调制的框图 振幅调制方法 5 4振幅调制电路 5 4 1模拟乘法器乘法器是完成两个信号相乘的器件 理想的乘法器输出电压uo t 与输入电压u1 t u2 t 的关系应是 uo t K u1 t u2 t K是乘法器的增益 图5 27乘法器符号 集成模拟乘法器是一种模拟集成电路 它是以差分放大器XFC1596和BG314为基础构成的信号相乘电路 模拟乘法器主要指标有工作频率 运算精度 输入信号动态范围等 集成模拟乘法器XFC1596的实际应用电路之一 1 利用XFC1596实现振幅调制时 调制信号u2应由 端输入 载波u1应由 10端输入 调制信号的幅度应限定在U2m I0RE范围之内 2 当U1m 2UT时 输出近似是双边带调制 3 而当UT U1m 10UT时 也可用带通滤获得双边带调制 动态范围小 因多处近似精度低 失真大 需外偏置 2 四象限模拟乘法器BG314 对模拟乘法器BG314 采用了反正切双曲函数电路 调制信号与载波的幅值限制是 U2m I0REU1m 0 5I0 RE1 5 4 2二极管调制器 二极管导通时的特性 所以 设 由于二极管的单向导通性 导通角 最大电流 输出是余弦脉冲 外部特性 1 单二极管调制器在上述情况下 可以把二极管看成一个受输入电压控制的开关 等效电路如下图所示 图5 40单个二极管时变等效电路 当ui ED UB 0时 开关S闭合 在ui ED UB 0时 开关S打开 uo 0 开关S可用宽度等于2 幅度等于1 重复频率等于 i的周期性脉冲序列k it 来等效 如图5 40 b 所示 当ED UB 时 有 相应地 通常有 RL rD 当二极管的输入为调制信号 载波时 即 如果 c Ucm U m 可以近似认为二极管是受载波控制的开关 二极管等效的开关函数为k1 Ct 则输出电压 图5 42单个二极管调制器输出信号的频谱图 条件 c Ucm U m ED UB RL rD 2 单平衡式二极管调制器 二极管特性实际是指数曲线 单个二极管调制电路中存在着非线性失真 为了减小失真 采用了平衡对消技术 平衡式二极管调制器 输出电压 相应的频谱如图5 44所示 由图可见 在调制器输出端用中心频率等于 2n 1 C 带宽B 2 的带通滤波器 可以获得双边带调制信号 图5 44单平衡二极管调制器输出信号频谱图 在单平衡式二极管调制器电路中 将载波与调制信号对调 VD1与VD2都只在载波的正半周导通 在负半周截止 输出电压将不含载波 例某调幅电路如图所示 图中D1 D2的伏安特性相同 均为自原点出发低斜率为gD的直线 设调制与载波频率和电压满足 c Uc U 试问电路能否实现振幅调制作用 输出电流中含有哪些频率分量 3 双平衡二极管调制器为了进一步提高调制器的质量 减少失真 可将两个完全相同的单平衡二极管调制器组合 构成双平衡二极管调制器 如图所示 找通路 看二极管两端的电压 二极管均认为是理想二极管 rD 0 在载波正半周二极管VD1和VD2的导通 等效负载电阻是RL 加在VD1的电压为uC u VD2的电压为uC u 与前讨论的相同 在正半周输出电压 在载波负半周二极管VD3和VD4的导通 等效负载电阻是RL 加在VD3的电压为 uC u VD4的电压为 uC u 与前讨论的相同 在负半周输出电压 双平衡二极管调制器的输出电压 图5 47双平衡二极管调制器输出信号频谱图 5 4 3高电平调制器 高电平调制是相对于低电平调制电路而言的 高电平调制电路的基本原理是根据高频谐振功率放大器的集电极调制特性和基极调制特性分别构成三极管集电极调制电路和基极调制电路来实现AM调制 集电极调制电路中 晶体管应该始终工作在过压状态 把调制信号u 与直流电压ECO串联 使晶体管的集电极直流电压变成为EC ECO u 通过EC的变化 控制Ico Ic1m变化 图5 50基极调制电路 基极调制电路如图所示 三极管始终工作在欠压状态 把调制信号u 与外加直流偏置电压EBO串联起来 使晶体管的基极直流偏置电压EB EBO u t 通过EB变化 控制Ico Ic1m变化 从而实现调制 5 5振幅解调方法 解调是从已调波中提取出调制信号的过程 是调制的逆过程 解调又叫检波 它是把位于载频fC附近的附近调制信号频谱搬回到零频附近的过程 振幅检波 包络检波 AM波同步检波 AM波 DSB SSB 5 5 1包络检波包络检波适用于AM调幅波 图5 51振幅检波 a AM调幅波及其频谱 b 检波输出波形及其频谱 图5 52平均包络检波器框图与各点信号波形 把us t 乘以单向开关函数k1 Ct 得到的就是单极性信号 再经过低通滤波器即可达到调制信号 一种包络检波是二极管峰值包络检波器 二极管两端的电压uD us uo 当uD 0时 二极管导通 信源us通过二极管对电容C充电 充电的时常数约等于rDC 由于二极管导通电阻rD很小 因此电容上的电压迅速达到信源电压us的幅值 当uD 0时 二极管截止 电容C通过电阻R放电 选取RC的数值满足 5 5 2同步检波DSB和SSB不能用包络检波 同步检波有两种形式 一种是乘积型同步检波 另一种是叠加型同步检波 1 乘积型同步检波 当信源是一个双边带信号us Usmcos t cos Ct本地振荡信号是一个与载波同频同相 同步 的信号u1 U1mcos Ct 两个信号相乘得 kd kM kF kM是乘法器的增益 kF是低通滤波器的增益 经低通滤波器后的输出就是调制信号 图5 54乘积型同步检波器框图 若本振与载波不同步 u1 U1mcos Ct t 相乘后经低通滤波器后的输出就是调制信号 输出将与频率和相位偏差有关 2 叠加型同步检波叠加型同步检波的框图如图5 55所示 信源电压若是一个双边带信号 它与本振相加的和信号在Usm U1m条件下为AM波 若信源电压是一个单边带信号 它与本振相加的和信号 其中 当Usm U1m时 D Usm U1m 1 5 6振幅解调电路 5 6 1振幅检波器的质量指标振幅检波器的质量指标主要有电压传输系数 输入阻抗和检波失真 1 电压传输系数kd电压传输系数kd又叫检波效率 包络检波器的电压传输系数kd定义为检波器输出的低频电压幅值与输入高频电压幅值之比 电压传输系数越高 说明检波器的检波效率越高 2 检波器的输入阻抗Zin检波器的输入阻抗Zin Rin jXin 检波器的输入阻抗就是中频放大器的负载 检波器输入阻抗中的电抗分量可以归入中频放大器的中频谐振回路 输入电阻分量直接影响中频谐振回路的质量因数和放大器负载的轻重 3 检波失真检波失真是指检波器输出电压与输入调幅波的调制信号相似的程度 检波失真包括线性失真和非线性失真 线性失真又叫频率失真 它是由于检波器带宽不够或带内增益的起伏而引起的失真 这种失真会使调制信号中各频率分量幅值的比例关系发生变化 非线性失真是由于检波特性的非线性而引起的失真 这种失真会产生调制信号的谐波分量和各调制频率间的组合频率分量 5 6 2包络检波器 大信号输入 二极管特性可用折线近似 1 电压传输系数kd若输入电压是一个等幅波us Usmcos Ct 输出电压是直流 二极管的电流iD为余弦脉冲 它的导通角 最大电流 二极管电流脉冲中的直流分量为 输出电压 电压传输系数 在 时 可忽略5阶项以上的高阶项 因此 gD和R越大 越小 电压传输系数kd 1 当输入是AM调幅波时 二极管检波器的输出电压 2 输入阻抗Zin 二极管峰值包络检波器的输入阻抗Zin Ri jXi 输入电抗为容性 它是二极管的结电容与输入端分布电容和 通常限制在几pF的量级 检波器的输入电阻Ri等于输入电压振幅Usm与二极管电流iD中的基波分量幅度ID1之比 当 6时 3 检波失真 检波特性的非线性引起的失真 由于二极管的伏安特性是指数曲线 二极管的内阻rD随二极管两端的电压uD的增加而减小 因此输出电压uo就会随rD的减小而增加 检波特性就会随输入电压幅度Usm的增加而向上翘 通常应满足 电阻R应尽可能大 以减小检波特性非线性引起的失真 惰性失真 为了提高电压传输系数和减少检波特性的非线性引起的失真 希望加大电阻R 而电阻R越大 时间常数RC越大 在二极管截止期间电容的放电速率越小 当电容器的放电速率低于输入电压包络的变化速率时 电容器上的电压就不再能跟随包络的变化 从而出现失真 惰性失真 所以 不产生惰性失真的条件就是电容器的电压变化速率始终比输入信号包络的变化速率高 即 检波器的输入信源电压 所以 在kd 1的条件下 t 时刻电容器两端的电压Uo1 Usm t1 Um0 1 macos t1 t1时刻以后二极管截止 电容器放电 电容器两端的电压变化规律为 电容器的放电速率 将包络变化率式和电压变化速率上式代入不产生惰性失真条件式 再经过变换可得 t1时刻不同 A值也不同 只有在A最大值小于1 才能保证不产生惰性失真 因此把A对t1求导并令其等于零 得A的极值条件 cos t1 ma 所以不产生惰性失真的条件为 对多频信号 若最大信号频率为 max 则电容的放电时间常数满足下式 例在图示的检波电路中 前级负载为并联谐振电路 其谐振频率f0 465KHz 回路本身谐振阻抗Ro 12k 检波负载为6k C1 0 01uF rd 50 若 求检波器输入电压Us及检波器输出电压Uo t 的表达式 并检查是否会产生惰性失真 负峰切割失真 检波器与下级电路级联工作时 一般下级只取用检波器输出的交流电压 因此在检波器的输出端串接隔直流电容CC RL是下级输入电阻如图所示 检波器的负载网络由C R和CC RL组成 设计应使R 1 CC 这样负载网络对调制信号的阻抗为RL R 当负载网络两端的电压uAB Um0 1 macos t 时 相应的输出电流IDo I0 I1cos t 因为负载网络在信号频率的交流电阻RL R小于直流电阻R 当调幅度ma较大时 I1可能大于I0 在信号的负半周将使ID0 0 也就是二极管截止 负载网络两端的电压不可能跟随输入电压包络的变化 从而产生失真 这种失真由于出现在输出电压的负半周 所以叫负峰切割失真 也叫底部失真 不产生负峰切割失真就应当使I1始终小于I0 即下条件成立 2 并联型包络检波器对于信源 二极管和负载三者并联构成的检波器电路叫并联型二极管检波器 如图所示 uD uS uC uD 0 信源uS对C2充电 时间常数是rDC2 uD rD 经过多次充放电后 uC Usm 信源us C2两端uc和二极管两端uD的电压间的关系如右图所示 R1C3组成的低通滤波器取出uD的低频成分 经CC到负载电阻RL上 当输入是等幅高频信号 不计二极管上的功耗 由能量守恒方程式可求出检波器的输入电阻Ri 5 6 3同步检波器1 乘积型同步检波器图5 66给出了用模拟乘法器FX 1596构成的乘积型同步检波器的实际电路 根据模拟乘